［摘 要］ 通過對水輪發(fā)電機組振動機理的調(diào)查研究，提出了水輪發(fā)電機組振動信號的一般特征，并由振動特征判別振動原因。 　　水輪發(fā)電機組的振動是水電站存在的一個普遍問題，有設(shè)計、制造、安裝、檢修、運行等方面的原因。運行中的機組都存在不同程度的振動，但這種振動是不可避免的，所以電站只能在一定的條件下將振動盡量地減小，使振動值限制在允許的范圍內(nèi)，當振動超過規(guī)定的允許值時，便會影響機組的供電質(zhì)量、安全運行和機組的壽命，需及時找出原因并采取措施消除。 一、水輪發(fā)電機組振動主要特征 水輪發(fā)電機組的振動都屬于有阻尼受迫振動，按其形式可分為受迫振動和自激振動，受迫振動是由于干擾力引起的，而干擾力的存在與否跟振動無關(guān)，即使振動停止，干擾力也仍然存在。自激振動中維持振動的干擾力是由物體運動本身產(chǎn)生或所控制的，當運動停止，干擾力也就消失。根據(jù)干擾力的不同形式機組振動可分為機械振動、水力振動及電磁振動。 1．機械方面 機械振動的干擾力源是機組的機械部分，主要有以下幾個部分。 （1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡 由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心與軸心產(chǎn)生一個偏心距。當主軸以角速度旋轉(zhuǎn)時，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，主軸將產(chǎn)生彎曲變形。角速度越大主軸變形也就越大，振動也越嚴重。當角速度接近臨界轉(zhuǎn)速時，振動增大產(chǎn)生共振。其主要特征為振幅敏感地隨著機組轉(zhuǎn)速變化，振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動較大。 （2）機組軸線不正 在旋轉(zhuǎn)機械中最理想的是機組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線三者重合，最不理想的是機組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線不重合的狀態(tài)。介于二者之間的是旋轉(zhuǎn)中心與機組中心重合，機組軸線不正的主要表現(xiàn)形式是軸線與推力軸承底平面不垂直，由于機組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過推力軸承中心，就產(chǎn)生一個偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，偏心力矩也同時旋轉(zhuǎn)，使各支柱螺栓受脈動力，其脈動頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動，轉(zhuǎn)子也就隨之產(chǎn)生振擺。軸線不正，也是引起徑向振動的原因。其特征為機組在空載低轉(zhuǎn)速運行時，機組便有明顯振動。 （3）軸承缺陷 在運行中當導(dǎo)軸承松動，剛性不足，導(dǎo)軸承間隙過大，運行不穩(wěn)而潤滑又不良時，就會發(fā)生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動力，其方向和軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同。導(dǎo)軸承間隙過小，會把轉(zhuǎn)軸的振動傳給支座和基礎(chǔ)，導(dǎo)軸承間隙過大，轉(zhuǎn)軸振動大。機組轉(zhuǎn)動部件與固定部件相碰（或摩擦）所引起的機組振動，其特征為振動較強烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過大、主軸過細、軸的剛度不夠所引起的振動，其特征為機組振幅隨機組負荷變化較明顯。 2．水力方面 （1）水輪機進入流道蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場均會產(chǎn)生旋渦，形成渦帶進入轉(zhuǎn)輪引起機組振動，其主要特征為振動隨機組運行工況變化而變化，且時而明顯，時而消失。若是因蝸殼中的不均勻流場所引起的振動，其振動頻率可表示為： 并且，這類振動多半發(fā)生在高比速軸流式水輪機中；若是因?qū)~中的不均勻流場所引起的機組振動，則多半發(fā)生在低比速水輪機中。該類水輪機轉(zhuǎn)輪離導(dǎo)葉很近，導(dǎo)葉中的不均勻水流對轉(zhuǎn)輪影響很大。 （2）由轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門渦列所誘發(fā)的機組振動，因卡門渦列的形成與流體速度和繞流體尾部的斷面形狀和尺寸有關(guān)，所以該振動特征為振幅隨過機流量增加而明顯增大，且其振動頻率可表示為： （3）因水輪機偏離設(shè)計工況較遠，尤其是在低水頭、低負荷運動時，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水流，形成偏心渦帶，使在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動并誘發(fā)機組振動。此時振動強弱與水輪機的運行工況關(guān)系較密切，某些區(qū)域振動強烈，某些區(qū)域振動又明顯減小，甚至恢復(fù)正常。其振動頻率一般為： （4）高水頭混流式水輪機因止漏環(huán)結(jié)構(gòu)形式和間隙組合不當及運行間隙不均勻引起水壓力脈動誘發(fā)的機組振動，該振動特征為：振動擺度及壓力脈動幅值，均隨機組負荷和過機流量的增加而明顯增大。 3．電磁方面 （1）發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分因受不平衡力（這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙所引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時引起的力和發(fā)電機在不對稱工況下運行時產(chǎn)生的力）的作用下產(chǎn)生的機組振動，其振動特征為振動隨勵磁電流增大而增大，且上機架處振動較為明顯。 （2）當一個磁極因短路而引起磁動勢減小時，和它相對應(yīng)的那個磁極的磁動勢并沒有變，因而出現(xiàn)一個跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力，引起轉(zhuǎn)子振動，其振動特征為振動隨定子電流增大而增大，振級與電流幾乎呈線性關(guān)系，且上機架處振動最為明顯。 （3）因定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動所引起的機組振動，其特征為振動隨機組轉(zhuǎn)速變化較明顯，且當機組載上一定負荷后，其振幅又隨時間增長而減小，對因定子鐵心組合縫松動所引起的振動，還有一特征為其振動頻率一般為電流頻率的兩倍。 （4）定子繞組固定不良，在較高電氣負荷和電磁負荷作用下使繞組及機組產(chǎn)生振動。其振動特點為振動隨轉(zhuǎn)速、負荷運行工況變化而變化，上機架處振動亦較為明顯，但不會出現(xiàn)載上某一負荷后其振動隨時間增長而減小的情況。 二、機組穩(wěn)定性試驗和振動測試的關(guān)系 對水輪發(fā)電機組進行一系列穩(wěn)定性試驗，判別引起機組振動的主要因素。 （1）機組起動試驗 在機組發(fā)出起動命令時就以較慢速度開啟錄波儀器，待機組轉(zhuǎn)動后，隨著機組轉(zhuǎn)速變化，按需要完整記錄機組起動過程的振動信號和其他狀態(tài)參數(shù)。 （2）變速試驗 分別在各種轉(zhuǎn)速下測量機組典型部位，如上導(dǎo)、上機架、主軸聯(lián)接法蘭、水導(dǎo)軸承等的振幅或頻率。 1）若機組在60％～100％的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行時，振幅一直很大，改變轉(zhuǎn)速對振幅變化不敏感，而振動頻率又與機組轉(zhuǎn)動頻率基本一致，則機組振動原因大都是由于軸線曲折、軸承間隙未調(diào)好，導(dǎo)軸承不同心、主軸轉(zhuǎn)動部件與固定部件有偏磨等。 2）若振幅隨機組轉(zhuǎn)速增加而迅速增大（一般振幅與轉(zhuǎn)速的二次方成正比），而振動頻率又與轉(zhuǎn)動頻率一致時，其振動原因多半是轉(zhuǎn)動部件的動（靜）不平衡。 3）若振幅隨機組轉(zhuǎn)速增加而增大，但變化速度一般，上機架處振動較明顯，而振動頻率又與發(fā)電機主極頻率一致或是其倍數(shù)，載上某一負荷后，振幅又逐漸隨時間增長而減小，則振動原因可能是發(fā)電機定子鐵心組合間隙松動或定子鐵心松動。 （3）空載無勵磁試驗 機組在空載額定轉(zhuǎn)速工況下，不加勵磁電壓，穩(wěn)定運行半小時，監(jiān)視各部位振動、擺度及壓力脈動值的變化情況和變化規(guī)律。 （4）空載有勵磁試驗 機組在額定轉(zhuǎn)速下，載上勵磁，改變勵磁電流，觀察各典型部位振動隨勵磁電流的變化。若振幅隨勵磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機組振動的主要原因。需檢查發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無發(fā)生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現(xiàn)氣隙等。 （5）變負荷、調(diào)相或補氣試驗 改變機組負荷（25％、50％、75％、100％）每個工況至少穩(wěn)定5～10min，測量各種負荷下機組各典型部位的振幅及導(dǎo)葉接力器行程，繪制負荷與振幅或接力器行程與振幅的關(guān)系曲線。若振幅隨機組負荷（或接力器行程）增減而增減，而機組在調(diào)相運行時振幅又大幅度降低，且水輪機導(dǎo)軸承處的振幅變化又較其他部位更為明顯時，則水力不平衡是引起機組振動的主要原因。若振動僅在某一負荷區(qū)域（經(jīng)電站實測，對應(yīng)導(dǎo)葉開度在32％<0<82％）運行時較為強烈，而避開該區(qū)域時，振動又明顯減小，則尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶是引起機組振動的主要原因。另外，若在機組振動較強烈的運行區(qū)域做補氣試驗，向尾水管補氣，測量水導(dǎo)軸承處或尾水管擴散段頂板處的振動。與不補氣相同工況作比較，若補氣前后有明顯差異，則說明機組振動原因也主要來自尾水管中的偏心渦帶。 （6）調(diào)速器手動、自動運行工況 對比調(diào)速器在手動和自動控制狀態(tài)下對機組穩(wěn)定運行的影響。 （7）甩負荷試驗 機組大修后，在投入運行之前，還應(yīng)做甩負荷試驗，檢驗調(diào)速器性能，記錄機組轉(zhuǎn)速上升、下降過渡過程、導(dǎo)葉開度變化過程、壓力脈動以及機組振動和擺度的變化。 三、振動原因分析 1．以振動頻率分析振動原因 在機組典型部位帶有錄波存儲功能的測振儀，將記錄的振動記號，作時域、頻域變換，進行頻譜分析，以此來判斷振動原因。 （1）若振動頻率與機組轉(zhuǎn)動頻率一致，則機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、軸線曲折、導(dǎo)軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨、水輪機迷宮間隙不均勻是引起機組振動的主要原因。 （2）若振動頻率為發(fā)電機電流頻率（我國電流頻率為50Hz）的二倍，則可能是定子鐵心組合縫松動、發(fā)電機負荷電流所引起的機組振動。 （3）若振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機磁極對數(shù)，則多半是由于發(fā)電機氣隙不均勻所引起的機組振動。 （4）若振動頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)動頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，則振動分別是因?qū)~開口不均勻或轉(zhuǎn)輪開口不均勻所致。 2．由振動部位判別振動原因 根據(jù)長期運行所積累的經(jīng)驗，由機組振動發(fā)生的不同部位，也可大致判別振動原因。 （1）若在水導(dǎo)軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉中的水力不平衡（該水力不平衡主要來自蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場和導(dǎo)葉開口不均勻、轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開口不均勻）所引起的機械振動。 （2）若在水導(dǎo)軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡（該水力不平衡主要來自于蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場和導(dǎo)葉開口不均勻，轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開口不均勻）所引起的機組振動。 （3）若上機架處振動較為明顯時，則振動原因多半來自于機組推力軸承（僅對懸式機組）、上導(dǎo)軸承缺陷（間隙擺度調(diào)整不適合）、故障或機組軸線有曲折、機組中心發(fā)生變化或發(fā)電機零部件有缺陷或故障。 （4）若因轉(zhuǎn)輪葉片出水邊線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的機組振動，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測得明顯振動，蝸殼中會出現(xiàn)較大水壓波動。 四、結(jié)語 綜上所述，振動是影響水輪發(fā)電機組正常運行和危害機組壽命的主要故障，對振動及時進行故障診斷，有利于提高水輪發(fā)電機組的安全、經(jīng)濟運行水平，可以為我國的水電生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟效益。要清除水輪發(fā)電機組振動的故障，必須尋找引起機組振動的原因。主要介紹如何依據(jù)誘發(fā)機組振動的某些特征，捕捉其振動的主要原因。為簡化問題，不考慮引起機組振動諸因素間的相互影響，但對分析機組振動的主要原因，仍有較好的參考作用。 轉(zhuǎn)自：通用機械